摩爾定律的下一步：半導體製造技術的變革新趨勢

【吳碧娥╱北美智權報 編輯部】

從2017到2018年，全球IC製造產業資本投資規模達到高峰，近兩年總投資均超過920億美元規模。目前台灣IC製造產業仍以晶圓代工貢獻最主要產值，隨著創新應用的發展，對於製程的需求也一直不斷攀升，綜觀2018年後的應用趨勢，半導體發展將更加多元，隨著先進製程來到10奈米之下，製程微縮瓶頸浮現，同時複雜的圖形造成曝光次數增加，光罩成本隨之倍增，讓半導體產業向來信守的摩爾定律（Moore’s Law）變得窒礙難行，極紫外光(extreme ultraviolet；簡稱EUV)E技術被視為摩爾定律繼續往下走的關鍵，EUV製程技術勢在必行。

新應用對IC製造技術的影響

隨著7奈米之後的解決方案討論開始浮上檯面，EUV微影技術等設備將加速2019年之後先進製程的量產。EUV微影技術的實用化，需整合研發光源、光學系統、光罩、光阻、曝光裝置等各項技術，然而製程微縮除了對製程穩定度帶來壓力外，在成本控管上亦是相當嚴肅的課題。採用新式材料與技術成為研發的另一方向，奈米碳材、寬能隙材料的導入，將有助於延續摩爾定律。

工研院產業經濟與趨勢研究中心（IEK）資深產業分析師劉美君指出，綜觀2018年以後的趨勢，會發現人工智慧、物聯網、智慧汽車、高速運算等應用，將促進半導體產業發展更多元。未來AI將整合IoT技術發展，應用以工業、智慧城市等領域為主，分析各公司AI晶片發展，會發現所需製程幾乎還是以10奈米以下為主流；但並非所有產業都需要最先進的製程，預估到2021年，45奈米和22奈米仍是產能占比最多的製程，在發展上最成熟穩定、良率亦是最高；10奈米和14奈米製程會成為要角，有急速攀升的趨勢，而年複合成長率最快的則是7奈米製程。

導入EUV技術，仍有諸多難題

在過去兩年間，台積電為了拉大和競爭對手的居離，著重在10奈米以下製程能力的提升，特別是奈米與5奈米量產技術的研發生產。對晶圓代工產業而言，製程能力將影響未來客戶下單的選擇，關鍵在於良率夠高、速度要夠快，客戶對於7奈米世代的製程需求亦有極高的期待，為了突破微縮製程在7奈米的瓶頸，EUV技術的需求因此產生。

但就現階段來看，要藉由EUV實現7奈米以下微縮製程，仍有許多棘手的問題待克服。除了生產性降低、成本增加、產能對半砍，EUV還有曝光裝置耗電太大的問題。劉美君進一步解釋，假設EUV光源效率以0.1％來計算，若期望輸出功率為150W的EUV光源，則需使用150kW的電力，以一般量產所需10台曝光機的基本數量來看，則需消耗1500kW電力。先前媒體曾報導，全台灣用電過去五年的增加量，約三分之一由台積電貢獻，導入EUV微影技術後用電還會暴增，根據台積電評估，計劃於2020年量產的5奈米製程，用電會是目前主流製程的1.48倍 。

此外，還有光罩防塵薄膜的難題存在。使用薄膜（Pellicle）最主要有兩種目的，除了增加晶片生產良率，還能減少光罩於使用時的清潔和檢驗，不過在高功率的EUV光源下，Pellicle也有可能從自身產生微塵（Particle），造成光罩的污染，因此EUV若要進入量產，微塵的控制就會變得非常重要。

摩爾定律的三種發展方向

1975年，英特爾（Intel）創辦人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出摩爾定律：隨著製程的進步，積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔一年半會增加一倍；若換算為成本，即每隔一年半可降低五成，平均每年可降低三成。就摩爾定律延伸，IC技術每隔一年半就會推進一個世代。但摩爾定律是否仍適用於目前的半導體製程生態呢？已退休的台積電董事長張忠謀認為，摩爾定律早已無效，必須跳脫摩爾定律對於集積度的執著，只從應用看整合，也就是「創造橫向應用」來克服已經失效的摩爾定律。

劉美君分析，若要延續摩爾定律，會遇到7奈米製程的抉擇困境。首先是設備難度提高，先進曝光機、刻蝕機等設備研發技術難度大，依據Intel官方計算過去研發10奈米的製程，光罩成本至少要10億美元，若10奈米製程的晶片產量低於1,000萬片，平均每片晶片上的光罩成本就高達100美元，一旦7奈米的良率和產能無法提升，單顆晶片的成本將會十分高昂。而根據Gartner推算，10奈米晶片的總設計成本約為1.2億美元，7奈米晶片則為2.71億美元，較10奈米高出兩倍之多！

因此7奈米之後的發展，有三種可能方向。首先是延續原有CMOS技術的發展概念，持續朝向摩爾定律方向進行高集積度的IC元件設計，但7奈米以後物理極限問題會漸趨嚴重。第二種是由應用需求驅動未來晶片設計功能的多樣化，例如透過3D IC等封裝新技術，整合Power、感測器（Sensor）、致動器（actuator）等功能進入晶片設計與製造。最後一種則是跳脫原有以矽（Si）為基礎的CMOS元件製程，進入21世紀的碳素時代，以新材料、新技術來創造更高性能、低能耗的製造型態，同時又要能與現有製程相容，並具備成本優勢。

尋找下世代的半導體材料

隨著IoT產品普及速度加快，元件耗電問題成為下階段半導體發展的重要課題，2020年後的電子元件，將聚焦在超低功耗的解決方案開發。劉美君指出，碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬能隙功率元件，擁有較耐高溫、耐高壓、電阻小、電流大與低耗電等特性，相當適合高頻元件使用。2017年SiC Power市場規模達到275億日圓，主要以通訊領域為大宗，預估在2030年將會擴大至2,270億日圓。而GaN Power則是在200V的低耐壓及600V以上的中耐壓領域逐漸擴大市場規模，2017年GaN全球市場規模預估為18億日圓，未來可朝向醫療器材發展，2030年時可望成長至1,300億日圓。

總結而言，未來IC製造業投資風向從傳統消費性電子產品走向多元與新興應用，2018年的應用產品潮流，從過去的消費性電子轉向AI、IoT產品加值的領域進行延伸，對於晶片的規格需求，除了元件微小化外，高速運算與傳輸、多重元件異質整合、低功耗等特性，更是未來在產品與製程設計上需考量的課題。

文章出處：聯合新聞網

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